沸水處理PAN原絲對其結(jié)構(gòu)的影響

張 洋（中國石油吉林石化公司 碳纖維廠,吉林 吉林 132000）

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沸水處理PAN原絲對其結(jié)構(gòu)的影響

張 洋（中國石油吉林石化公司 碳纖維廠,吉林 吉林 132000）

摘 要:碳纖維作為高性能的纖維，既具有纖維的柔軟特性，又具有碳材料的堅硬特性，所以碳纖維在實(shí)際中的應(yīng)用比較廣泛，在國防、軍事及體育方面都有應(yīng)用。然而，碳纖維的材料脆性很大，抗拉的強(qiáng)度和聚丙烯腈原絲（PAN原絲）的性能有著密切的關(guān)系。本文通過將中國石油吉林化公司自制的PAN原絲與其它廠家PAN原絲經(jīng)過沸水處理后對原絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，得出相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：聚丙烯腈原絲；沸水處理；結(jié)構(gòu)

0 前言

碳纖維可采用PAN 纖維、瀝青纖維、粘膠纖維或木質(zhì)素纖維等經(jīng)過氧化、低溫碳化、高溫碳化而制成。高品質(zhì)的PAN是制備優(yōu)質(zhì)碳纖維的關(guān)鍵，因此對于PAN的研究也得到了迅速發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

（1）選取三種規(guī)格相同原絲分別為：吉林神舟碳纖維公司產(chǎn)的國產(chǎn)原絲、日本東麗原絲、中國石油吉化公司自制原絲，記為原絲A、B、C。

（2）熱收縮測試儀:吉林大學(xué)生產(chǎn)XH一1纖維熱收縮測試儀

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1　吉林化纖、日本旭化、吉林石化三種不同PAN原絲沸水收縮率

對于原絲的沸水收縮，我們可以采取兩種測試方法。第一種方法是讓原絲自然伸展，不對其施加外力作用，在沸水中浸泡20分鐘；另一種方法是：對原絲施加額外張力，并且保持張力不變，在沸水中浸泡20分鐘。運(yùn)用兩種方法得到的結(jié)果截然不同。第一種方法作用下，原絲在沸水中可以不受拘束的收縮，水分也可以完全浸入到原絲中，使得原絲的可塑性增強(qiáng)，分子鏈運(yùn)動的活動加劇。第二種方法作用下，原絲被外力固定住，水分不能完全浸入到原絲中間，分子鏈的運(yùn)動也不劇烈。所以松弛狀態(tài)下的沸水收縮率要大于定長狀態(tài)下的沸水收縮率。從表中還可以看出，相同強(qiáng)度原絲中，無論松弛還是定長狀態(tài)下，原絲C的沸水收縮率最低。

如表2所示，經(jīng)過沸水處理后晶粒的尺寸有增加，沸水的溫度是100攝氏度，達(dá)不到PAN的熔點(diǎn)，所以PAN內(nèi)部的分子鏈段的運(yùn)動不明顯，晶粒的增大和熔融的速度都比較緩慢，非晶區(qū)鏈段的運(yùn)動使晶區(qū)邊緣不整齊，微晶尺寸也就稍有減小。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原絲承受外力后浸入沸水中，晶粒的尺寸比其自然伸展時的晶粒尺寸稍大，這是由于在自然伸展的狀態(tài)下，分子鏈段運(yùn)動的阻力相對比較小，分子鏈段之間可以進(jìn)行重疊蜷曲，所以不受外力情況下的原絲微晶尺寸稍微小一些。結(jié)晶度與PAN原絲強(qiáng)度成正相關(guān)，這是因?yàn)榻Y(jié)晶結(jié)構(gòu)中的分子鏈排列整齊緊湊，分子內(nèi)和分子間的相互作用力充分，不容易被破壞，原絲強(qiáng)度大。無論以何種狀態(tài)浸入沸水中，都破壞了結(jié)晶度，使原絲強(qiáng)度降低，不受外力的松弛狀態(tài)下更加明顯。從表中還可以看出，相同強(qiáng)度的原絲，C的結(jié)晶度和晶粒尺寸最大，經(jīng)過沸水處理后，C原絲的結(jié)晶度和晶粒尺寸也比其它兩種原絲稍大。

從表3可知，經(jīng)過沸水處理后的原絲密度也會發(fā)生變化，三種原絲密度都成降低趨勢。原因是沸水處理原絲后，鏈段之間的聯(lián)系不再緊密，原本伸直的鏈段變得蜷曲了，從而導(dǎo)致非晶區(qū)中的鏈段更加無序，鏈段與鏈段之間的空間變大，使得原絲體積變大，密度變小。經(jīng)過沸水處理后，原絲C的密度較其它兩種原絲小。

表2　吉林化纖、日本旭化、吉林石化三種原絲的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3　處理前后吉林化纖、日本旭化、吉林石化三種原絲的體密度

3 結(jié)論

（1）通過沸水處理后纖維的強(qiáng)度都減小，原絲斷裂伸長率較高，松弛狀態(tài)下進(jìn)行沸水熱處理的原絲的強(qiáng)度要大一些。

（2）中國石油吉化公司自制的PAN原絲結(jié)構(gòu)性能要優(yōu)于吉林神舟和日本東麗的原絲。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.034